“油气地球化学”本科教学实践中新理念的应用探索

［摘 要］ “油气地球化学”是资源勘查工程专业重要的专业基础课之一。由于课程自身综合性强，专业领域内传统理论知识介绍为主的教学模式阻滞了具有研究型思维和创造能力的高层次人才培养。作者结合“十四五”战略对油气领域新的指导思想和当代大学生学习求知的特点，将“学科交叉”和“理论实践结合”教学理念引入课程建设与改革中，针对室内课程教学、实验室实践、考核方式三方面提出了相应的教学改革建议。

［关键词］ 油气地球化学；学科交叉；理论实践结合；教改策略

［基金项目］ 2019年度中国地质大学（北京）本科教育质量提升计划建设项目“引进和借鉴国外教学与科研相融合的教学模式研究”；2017年度国家自然科学基金项目“未熟低熟页岩低温催化生气机理及气体的地球化学表征”（41702133）

［作者简介］ 魏 琳（1989—），女，河北任丘人，博士，中国地质大学（北京）能源学院副教授，主要从事地球化学与非常规油气成藏研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）46-0005-04 ［收稿日期］ 2021-09-16

一、“油气地球化学”课程的教学现状

“油气地球化学”是资源勘查工程专业本科重要的专业基础理论课之一。课程不限于关注“油气藏在哪里及如何寻找”，而是更强调如何用地球化学手段探究沉积物中的有机质的形成、类型及化学组成，分析石油与天然气资源怎样形成、运移方式、充注及聚集，课程也是成为油气勘探的三大理论（石油地质、地球物理和油气成藏）基础之一［1，2］。

“油气地球化学”课程内容综合性强，涉及地质学、环境学、生物学、沉积学和有机地球化学等多学科知识。油气地球化学学科的技术手段应用也非常广泛，包括传统油气勘探以外的非常规油气、环境和气候、生物进化发展等几大主要研究领域，皆为我国重点科研领域和经济发展的重要关联学科［3］。综合来说，油气地球化学方法在石油地质相关的气候、环境、能源其他领域均具有广泛的应用前景。

目前本门课程的讲述还是紧密围绕有机质形成演化、干酪根形成演化、石油与天然气的化学特征等展开。由于“油气地球化学”课程自身综合性强的特点，单向的灌输类教学就学生而言背诵信息过多。若持续施以传统的教学方式，学生兴趣和学习动力不足，也限制了学生创新能力的培养。为了培养研究型思维和创造能力的高层次人才，学科改革亟须深刻明确的路线和方向。作为“油气地球化学”课程的主讲老师，笔者重点在课程内容、实验课方式和结课考核方法等方面进行了一些探索和实践，在合理化的基础上逐步对内容进行调整和提高。

“油气地球化学”课程又是一个实行改革非常好的课程对象，与其相关专业课程相比，油气地球化学是应用地球化学手段、解决油气勘探问题，相关的思路、思维方法可应用的领域是十分广泛的。笔者建议课程下一步需调整和优化传统授课思路，特别是根据油气学科的新创新方向调整授课的内容和方法。实现这个目标要做好两方面的整合：一是将地球化学授课知识与环境科学等相关学科应用知识相融合，在“学科交叉”指导思想下，有限地补充和扩展应用实践，促进学生对专业课程的理解；二是整合地球化学课程，理论与实践相结合，不仅仅局限于让学生背诵和理解专业词汇，而是能够辩证性看待实验数据，见微知著，学会思考和理解数据的关联性、代表性和局限性。并能够初步结合统计算法等知识，对实验数据进行处理和分析等。

二、课程内容的调整和科研思维的贯彻

（一）合理扩展课程绪论内容和多学科应用实例讲解

在绪论中，除介绍传统石油勘探情况、国内外油气田发现、油气价格变动以外，增加介绍当前相关领域更广阔更热门的发展方向。比如，目前我们石油勘探的最新方向是深地和深海的勘探，深地方向包括松辽盆地、塔里木盆地和四川盆地对深层碳酸盐岩和深层页岩勘探取得的成绩。深海项目中，“蛟龙号”是中国最强大的潜水器之一，主要负责科学考察等内容。中国的深空探测项目中，“毅力号”火星车探测火星的地貌和岩石特征，寻找生命的证据。在火星探测中，传统沉积学、矿物学和地球化学手段对于揭秘火星寻找生命证据相关的沟渠地貌、含水矿物特征、大气中甲烷等研究具有重要指示意义和贡献。

在课程后面相应内容中增加地球化学相关技术和知识在多领域的应用实例讲解，比如在讲到烃源岩生烃的时候，一般会提到金属元素的催化生烃作用。金属元素在地质和其他相关领域的应用也非常广泛，在古海洋学和古气候学研究中，铜和锌同位素对早期地球海洋氧化还原状态、气候条件和生产力有重要指示作用。为提升学生兴趣，可增加生活相关领域实例，比如Zn元素在防晒护肤品中也有广泛应用，纳米级氧化锌、钛、铜元素具有屏蔽紫外线的能力。在讲到天然气的组分研究中，除了传统的甲烷碳、氢同位素区分天然气来源的知识内容，增加介绍继传统稳定同位素之后，“团簇”同位素是新的具潜力的革命性技术。

（二）教学的启发、互动和辩证讲解

目前课程的部分内容需要重新整合，教学内容不应局限于介绍定义和概念，还需增加学生未来的雇主可能更加关心的问题，特别注意教学的启发性，引发学生对知识的主动思考［4，5］。比如介绍碳同位素、油气物化参数（密度、黏度、气油比）时，不要仅限于概念介绍，要引导学生从数据本身出发，讲解实际油田实例中，真实的不同参数对于油气充注和运移的指示意义、多解性和局限性。教师在讲解岩石露头的破碎和风化作用时，不要局限于详细解剖岩石是如何破裂和风化，而是要探索这些裂缝是如何影响受污染地下水的运动。这些的分析和思考远远比简单的背诵概念更重要。

（三）地球化学数据的见微知著，不要浮于表面，加深对课程的理解

见微知著是地球化学思维的根本和魅力，从局部的数据特点出发，结合整体地质现象解释，这种以小见大的思考方式，不仅有利于本科学生的知识和能力培养，更可以使学生对地球化学实验和数据拥有充分的好奇和探究思考的热情［6］。由于大三学生第一次接触见微知著的思想，如果只照本宣科，很容易使问题浮于表面，难以让学生理解并领会。比如在介绍烃类的碳、氢同位素概念时，举出实际勘探盆地中不同油井的烃类同位素具体数值和差异，并带领学生从地球化学的角度重点讲解这些问题对解释相关科学问题的应用。之后，进一步结合实际地质过程对液态烃的碳氢同位素值的多重控制作用，形象地展示见微知著的思想在分析基础地质数据和宏观地质现象中的作用。结合其他领域讲解见微知著思想的科学共通性，提升数据分析的地球化学思维，提高学生的理解能力。

（四）结合油气地球化学的实例需求，增加统计学的知识内容

大学生普遍有概率论和线性代数基础，目前的科研实践中，将数学和统计方法引入实例解决问题是非常重要的能力培养［7］。目前相关的能力培养还比较欠缺，导致学生分析问题时偏重表面化和简单化。

统计学的基本方法原理包括相关性分析与回归分析，聚类分析两种基本类型，还包括灰关联分析和模糊决策综合评价等［7］。教师在讲解基本原理时，首先介绍统计方法解决油气勘探的实例，引发学生好奇心，通过统计方法的数学应用和方法结合，根据不同地质数据和问题采用相对应的统计学方法，明确层层递进分解的统计逻辑和计算步骤，结合数据的基本特点进行合理的解释，最终达到让学生利用所学到的多层次统计方法去更好地理解地球化学实测数据和地质过程的目的。

三、“油气地球化学”实验课内容的调整和改进

目前，我校“油气地球化学”实验课的主要教学内容为化石燃料的有机质中可溶有机物提取、分离、成分检测等方面的教师演示和学生操作。这方面的教学内容属于我院石油地质专业传统的研究重点和基础，但是目前我国学科发展不断更新创新，往年较为固定单一的教学内容已经难以适应并满足“十四五”油气领域的新的指导思想和“00后”学生的好奇心。总体来说，石油地质学科的较新的方向已经向深水深地深层勘探、非常规页岩油气、环境气候交叉及纳米科技应用等方面变化。如果还局限于传统基础展示性的实验，那么课程为学生传达的方式过于单一、陈旧和基础。实验课的改革可以从以下三个方面入手。

（一）优化实验课程结构

目前实验课程主要以简单的演示实验和学生分组重复为主，学生对实验自身的思考是十分有限的。此外，学生总体的化学知识较弱，大一时虽然有大学化学理论知识的学习，然而大部分学生既有的理论知识难以指导实验。由于课程的时长和内容设置是有限的，建议可以与学生本科需要完成的创新学分紧密结合，设立大学生创新项目的实验实践。学生在理解仪器的基本功能后，自主设计相关实验，并完成相应的结果解释，即使没有成功也可以反思原因。创新学分强调自我学习和自我补充，利用时长一年的项目让学生通过自我学习和丰富的调研掌握扎实牢固基础，可大大有益于提高地球化学实验课的教学效果。

（二）充实和更新实验教学内容

把握科学前沿，大力鼓励创新一直是我国指引科学进步的重要指导思想，也是高校教师选择研究事业和方向时刻把握的轨迹方向［8-10］。在美国等高等教育发达的世界名校中，对于自主研发的实验仪器的建设非常重视，实验仪器的利用也鼓励多学科交叉，仪器的独创性和自主性是很多创新成果产生的基石。在“油气地球化学”实验课中，需要紧跟目前学科战略热点，教师自我提升和引入新的创新兴趣点。例如，随着油气地球化学学科从传统的石油地质勘探转向深层油气和非常规油气领域，我们对应的实验课程也应考虑引入高温高压实验条件下的特殊实验现象和结果。

另外，油气地球化学作为典型的交叉学科，其优势在于可以结合有机地球化学来解决油气勘探开发等一切相关其他领域面临的相似和相关问题［11］。比如，最常用的色质谱（GC-MS），不仅限于对烃类分子的检测，也是血液检查、土壤和水环境的主要检测方法。不同学科领域在方法和技术上的相通性充分给予了油气地球化学和其他新兴战略领域，特别是环境气候相关领域的适用条件。因此地球化学实验教学，在作为最好的实践教学中应特别重视对学科交叉理解和开拓思维的培养。

（三）实验的数据处理简单教学

当前“油气地球化学”课程的本科教学几乎完全不包含实验数据处理和分析的相关内容，导致学生升入研究生学习后，基本的数据处理和对实验精度的理解非常薄弱，对实验数据的解释能力也不高。在目前逐年猛增的大学生读研趋势下，传统培养方式难以适应目前对研究生科研能力的较高要求［12］。因此，实验教学的重点内容可包括常用表示实验教据的方法：列表法、图解法及方程法，明确表示物理量之间的关系，揭示物理量之间的联系，不同方法的要求和规则。增加对实验数据相关性规律的总结，以及精度的分析，重复性的理解等。增加对各种误差的概念理解，并区别它们之间的差异，同时明确其适用范围。增加学生对于自主设计实验中对照组和重复组设置的理解等。

四、考核内容代替传统的考试，变被动为主动

除了传统的期末考试成绩，提升日常考核内容所占的比例。考核内容可根据“多学科交叉”“理论联系实际”“研究型学习”等思想对学生进行考查，主要目的是引导学生思考，开拓科研思维，提高解决实际问题的能力。

在考核内容中，增加学生对多方法在交叉学科中的应用汇报，每次课可利用5～10分钟时间，让学生增加不同方法解决多种问题的实例调研。例如，核磁共振MRI使水成像，观察血管更加清晰，适用于检查是否存在脑梗等脑血管疾病；核磁共振对页岩孔径分布的描述基于相似原理，介绍其对非常规油气孔隙特征描述的优点和局限性等内容。

此外，在学生日常作业中，教师可以创作自选实例。在课堂上安排典型的2～3次的课堂讨论，让学生学会利用统计方法分析数据，得到合理的代表性地球化学和地质问题。但需要强调统计方法为手段，而非主要的教学内容设置

结语

针对国家“十四五”规划对于油气领域新的指导思想，结合新一代的大学生学习求知的特点，当前油气化学学科发展需要跟深层深地项目、环境气候、仪器分析、统计算法等学科紧密结合起来。“油气地球化学”课程改革的主要方向是改变课程的教学理念和教学环境，特别结合国家战略方法，结合院系方式和课程时长实际承载能力的实际情况进行适当调整，培养出符合当今时代需求的创新型和知识型专业人才。

对于学生创新能力和自主学习能力的培养，除了本研究强调的授课方式和考核形式方面的贯彻之外，还应将这种理念切实贯彻在教学内容、教学方法、实验课内容和课程考核等方面。由于专业和课程不同，这种教学理念的实施策略可以有多种的具体方法。但总体上，时刻把握“学科交叉”和“理论实践结合”理念，有利于“油气地球化学”课程的建设与改革。